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数字CMOS集成电路设计基础

2.1.5实际MOS晶体管的二阶效应与SPICE模型

2.1.5实际MOS晶体管的二阶效应与SPICE模型

实际MOS晶体管的二阶效应–阈值电压变化

随着器件尺寸的缩小，阈值电压不只与1）窄沟道效应：阈值随W减小而增大

制造工艺和所加体偏电压V有关，还与

SB

L、W和V有关。

DS

2.1.5实际MOS晶体管的二阶效应与SPICE模型

实际MOS晶体管的二阶效应–阈值电压变化

随着器件尺寸的缩小，阈值电压不只与2）短沟道效应：阈值随L减小而减小

制造工艺和所加体偏电压V有关，还与

SB

L、W和V有关。

DS

2.1.5实际MOS晶体管的二阶效应与SPICE模型

实际MOS晶体管的二阶效应

阈值变化

随着器件尺寸的缩小，阈值电压不只与

制造工艺和所加体偏电压V有关，还与

SB

L、W和V有关。

DS

3）DIBL效应：阈值电压随VDS增大而降低。

沟道长度减小、电压Vds增加、漏结与源结的耗尽层靠近，

沟道区域需要栅压贡献的电荷量减小，表现为阈值电压降DIBL效应

低。沟道长度越短，DIBL效应就越严重

穿通效应（punch-through）

2.1.5实际MOS晶体管的二阶效应与SPICE模型

实际MOS晶体管的二阶效应

CMOS闩锁效应（闭锁现象）

CMOS结构中存在着互补寄生双极型晶体管（阱和衬底会形成寄生的n-p-n-p结构）。

当两个双极型管中的一个变为正向偏置时（例如由流过阱或衬底的电流所引起），它提供了另

一个双极型管的基极电流。这一正反馈使电流增加直至该电路失效或烧坏。

思考：如何降低闩锁状态产生的可能？

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实际MOS晶体管的二阶效应热载流子效应（HCE）

器件的尺寸不断缩小，但电源和工作电压并没有相应地降低。其结果是电场强度提高，使电子速度增

加，一旦它们达到了足够高的能量就会离开硅而隧穿到栅氧中。在栅氧中被俘获的电子将改变阈值电

压，一般都增加NMOS器件的阈值而减少PMOS管的阈值。

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实际MOS晶体管的二阶效应

负偏压温度不稳定性（NBTI）

偏压温度不稳定性(BiasTemperatureInstability,BTI)

是MOS器件中主要的可靠性问题，能降低p型和n型金属

氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的性能。

NBTI一般发生在p-MOSFETs栅极被施加负偏压时，

它的起因是栅介质中积累正电荷。

NBTI引起PMOS的阈值电压(ΔV)、线性和饱和漏

T

极电流、跨导和亚阈值斜率等关键电性能参数随时间产

生渐变的偏移，从而降低模拟、数字和存储器电路的性

能，器件和电路的寿命也随之缩短。NBTI效应会造成模

拟电路中晶体管之间参数失配，降低电路性能。NBTI效

应会导致数字电路中噪声容限减小及时序违规，并最终

导致电路失效。

2.1.5实际MOS晶体管的二阶效应与SPICE模型

小结：

MOS管相关二阶效应：

1）短沟道效应；

2）窄沟道效应；

3）漏致势垒下降DIBL；

4）源漏穿通；

5）闭锁效应

6）热载流子效应HCI

7）偏压温度不稳定性NBTI

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MOSFET晶体管的SPICE模型

SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis(SPICE)

LEVEL1SPICE采用Shichman-Hodges模型，

基于长沟道器件，不适用于短沟效应。

LEVEL2基于几何尺寸，根据细节的器件物

理参数定义方程。